摘 要：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)由電子控制單元（ECU）、傳感器和執(zhí)行器三部分組成。硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括控制器、傳感器和執(zhí)行器的選擇，以及信號(hào)調(diào)理電路、報(bào)警電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路和電源電路等的設(shè)計(jì)。要求設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，控制器，空燃比控制

引言

煤層氣俗稱煤礦瓦斯，是煤礦的主要災(zāi)源，也是一種清潔能源資源，若不加利用又是溫室氣體污染源。截至2020年末，累計(jì)探明地質(zhì)儲(chǔ)量9380億立方米，比“十二五”末增長(zhǎng)71%。2020年，全國(guó)煤層氣供應(yīng)量78億立方米（含煤層氣區(qū)塊內(nèi)其他非常規(guī)天然氣），較2015年翻一番。

“十三五”期間，煤炭、煤層氣行業(yè)深入貫徹習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于安全生產(chǎn)和能源發(fā)展重要指示批示精神，抓牢瓦斯抽采這一治本之策，堅(jiān)持井下瓦斯抽采與地面煤層氣開(kāi)發(fā)并舉，以用促抽、以抽保安，推動(dòng)煤礦瓦斯防治水平跨越式提升，煤層氣成為常規(guī)天然氣供應(yīng)的有力補(bǔ)充，讓煤炭這個(gè)國(guó)家能源安全“壓艙石”的底盤(pán)更穩(wěn)，重點(diǎn)地區(qū)天然氣供應(yīng)保障的底氣更足。

1 控制器的選擇

煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件要求空燃比控制系統(tǒng)必須具有可靠性高、抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)，同時(shí)各種信息的采集必須準(zhǔn)確可靠?？紤]到本系統(tǒng)的性能要求、輸入輸出的點(diǎn)數(shù)、性價(jià)比等，本設(shè)計(jì)選擇的控制器為西門(mén)子公司的S7-200系列的CPU224DC/DC/DC型可編程控制器。此外，還選擇了6個(gè)擴(kuò)展模塊：兩個(gè)EM222數(shù)字量擴(kuò)展模塊、兩個(gè)EM231模擬量擴(kuò)展模塊和兩個(gè)EM231熱電偶擴(kuò)展模塊。

西門(mén)子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型PLC，可用于代替繼電器的簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。由于它有極強(qiáng)的通信功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。S7-200的可靠性高，可以用梯形圖、語(yǔ)句表（及指令表）和功能塊圖三種語(yǔ)言來(lái)編程。它的指令豐富，指令功能強(qiáng)，易于掌握，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由端口模式通信功能，最大可擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35路模擬量I/O，最多有30多KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

S7-200有5種CPU模塊：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。本系統(tǒng)采用的是CPU224DC/DC/DC型PLC，其性能指標(biāo)如表1所示[1]。

本系統(tǒng)所需參數(shù)較多，如發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)：缸溫、排氣氧濃度、節(jié)氣門(mén)位置和轉(zhuǎn)速;煤層氣的壓力和甲烷濃度;空氣的壓力;空氣閥和燃?xì)忾y的位置。這些參數(shù)均為非電量形式，不能直接輸入到可編程控制器（PLC）中處理。因此，需要傳感器將這些非電量轉(zhuǎn)換成電量。

2 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選擇

2.1 5700系列混合式直線步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.5度或15度;反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為1.5度，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已被淘汰;混合式步進(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。本系統(tǒng)主要用步進(jìn)電機(jī)控制燃?xì)忾y和空氣閥的開(kāi)度，要求精度高、體積小、轉(zhuǎn)矩大和響應(yīng)快。

2.2 M542驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要配置一個(gè)專用的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的作用是讓電機(jī)的繞組按照特定的順序通電。步進(jìn)電機(jī)與其驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)相互聯(lián)系的整體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行性能是由步進(jìn)電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)器共同決定的。本系統(tǒng)選用的是海頓直線電機(jī)（常州）有限公司的M5421型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器適用于2相，4相混合式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用了先進(jìn)的雙極性直流斬波技術(shù)，具有輸出功率更高、速度更快、電流紋波小和電機(jī)熱少等特點(diǎn)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)[2][3][6][7]

3.1 輸入信號(hào)調(diào)理電路

空氣壓力、燃?xì)鈮毫?、燃?xì)饧淄闈舛?、燃?xì)忾y開(kāi)度、空氣閥開(kāi)度、缸溫及排氣氧濃度等信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)量程的電流或電壓，如4～20mA或0～5V。PLC用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量以供CPU處理。

傳感器輸出的信號(hào)容易受到現(xiàn)場(chǎng)噪聲和震動(dòng)等干擾信號(hào)，為了防止這些干擾信號(hào)影響測(cè)量和控制的精度，在信號(hào)調(diào)理電路中加入了RC濾波電路。圖1所示為空氣壓力信號(hào)的調(diào)理電路，其它各信號(hào)的調(diào)理電路除了輸入輸出端不同外，基本類似。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路由轉(zhuǎn)速傳感器、施密特觸發(fā)器74LS14和光電耦合器4N25構(gòu)成，電路如圖2所示。轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪齒數(shù)進(jìn)行采集，輸出正弦波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形變成方波信號(hào)，由光電耦合器送入PLC的I0.0，作為高速計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，以測(cè)出定長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)，然后計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于施密特觸發(fā)器的滯回特性對(duì)噪聲信號(hào)具有較高的抗干擾能力，并且經(jīng)過(guò)光電耦合器的隔離作用，因此該電路不僅簡(jiǎn)單，而且抗干擾能力好。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括M542型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)，其連接電路如圖3所示。PLC的輸出口Q0.0和Q0.2輸出的分別是燃?xì)忾y步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖和控制方向信號(hào)，輸入到M542型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分、放大等處理過(guò)程，然后控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作。該電路由于采用了專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使得電路連接簡(jiǎn)單可靠，驅(qū)動(dòng)能力大大增加，抗干擾能力增強(qiáng)?？諝忾y步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路類似，僅PLC的輸出口不同（見(jiàn)表2輸入輸出資源分配表）。

3.4 鍵盤(pán)電路

本系統(tǒng)共設(shè)置了關(guān)機(jī)、復(fù)位、燃?xì)忾y開(kāi)度增大調(diào)節(jié)、燃?xì)忾y開(kāi)度減小調(diào)節(jié)、空氣閥開(kāi)度增大調(diào)節(jié)和空氣閥開(kāi)度減小調(diào)節(jié)6個(gè)按鍵，圖4所示的鍵盤(pán)電路是關(guān)機(jī)信號(hào)的輸入電路，其它幾個(gè)鍵盤(pán)電路基本類似，只是輸出口不同（見(jiàn)表2輸入輸出資源分配表）。

在按鍵的閉合與斷開(kāi)瞬間均有一個(gè)抖動(dòng)過(guò)程，由此會(huì)產(chǎn)生一系列的干擾脈沖，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，如何消除該干擾信號(hào)就成為了設(shè)計(jì)鍵盤(pán)電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用了施密特觸發(fā)器74LS14作為按鍵和PLC的接口電路，利用施密特觸發(fā)器的滯回特性來(lái)消除按鍵抖動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的干擾信號(hào)，收到了良好的效果，且電路簡(jiǎn)單可靠。

3.5 報(bào)警電路

報(bào)警電路共設(shè)置了11個(gè)指示燈和1個(gè)蜂鳴器。當(dāng)某個(gè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的限制值時(shí)，報(bào)警電路根據(jù)它對(duì)控制系統(tǒng)的影響程度分別予以聲光報(bào)警，以提醒工作人員注意并進(jìn)行相應(yīng)的操作。各參數(shù)的報(bào)警情況如下：

（1）指示燈報(bào)警：燃?xì)鈮毫Α?個(gè)缸的排氣溫度和關(guān)機(jī)信號(hào)僅采用指示燈報(bào)警。

（2）聲光報(bào)警：氧傳感器信號(hào)采用指示燈與蜂鳴器同時(shí)報(bào)警。

圖5為燃?xì)鈮毫?bào)警信號(hào)的報(bào)警電路，主要由光電耦合器4N25和發(fā)光二極管組成。輸出口Q0.4的信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器4N25的濾波和隔離后控制發(fā)光二極管的亮滅。其它報(bào)警電路的設(shè)計(jì)基本類似，只是輸出口不同（見(jiàn)表2輸入輸出資源分配表）。

3.6 顯示電路

顯示器作為人機(jī)接口的重要環(huán)節(jié)之一，近年來(lái)發(fā)展很快。目前，顯示器的種類有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、平板顯示器、陰極射線管和液晶顯示器等系列。本系統(tǒng)選用的數(shù)碼管來(lái)顯示所需觀測(cè)的數(shù)據(jù)。

為了便于監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)地顯示各參數(shù)的值，由于原機(jī)的顯示系統(tǒng)中對(duì)空氣壓力、燃?xì)鈮毫?、排氣溫度已有顯示，而選用的甲烷傳感器對(duì)燃?xì)獾臐舛纫灿酗@示，所以本系統(tǒng)中的顯示電路主要包括燃?xì)忾y開(kāi)度顯示電路和空氣閥開(kāi)度顯示電路。

本系統(tǒng)的顯示電路選用智能型驅(qū)動(dòng)芯片HD7279A來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。HD7279A是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤(pán)矩陣單片即可完成LED顯示、鍵盤(pán)接口的全部功能。其內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼并同時(shí)具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等;具有片選信號(hào)，可方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤(pán)接口。

圖6所示的是燃?xì)忾y開(kāi)度顯示電路，PLC的Q3.0～Q3.3四路輸出信號(hào)輸入到HD7279A中，來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管實(shí)時(shí)地顯示燃?xì)忾y的開(kāi)度。空氣閥開(kāi)度顯示電路與圖6的輸入端不同，其它部分類似。

3.7 電源電路

控制系統(tǒng)需要的電源有+24VDC和+5VDC兩種。其中，+24VDC提供給PLC及其擴(kuò)展模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和甲烷傳感器;+5VDC提供給一些外圍器件。為此，本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器TA7805F進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換來(lái)得到所需要的+5VDC電源。

TA7805F具有以下特點(diǎn)：

（1） 可以為CMOS、TTL及其它IC電路提供電源;

（2） 內(nèi)部集成了過(guò)負(fù)載保護(hù)電路;

（3） 內(nèi)部具有限流保護(hù)電路;

（4） 最大輸出電流可達(dá)1A。

本系統(tǒng)的電源電路如圖7所示。圖中，C1和C2是旁路電容，起到抑制干擾的作用，而C3起到濾波的作用。由于TA7805F內(nèi)部是非線性器件，一定會(huì)出現(xiàn)諧波，所以在輸出端應(yīng)該對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波。

4 硬件抗干擾設(shè)計(jì)[4][5][8]

發(fā)電機(jī)組工作的環(huán)境比較惡劣，例如震動(dòng)、電磁干擾和天氣等多種因素的干擾，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。為此，必須采取必要的措施來(lái)免除或減小這些因素的影響和損害，以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。本節(jié)主要在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中從以下幾個(gè)方面采取措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

（1） 屏蔽技術(shù)

為了提高系統(tǒng)的電磁兼容性，把本控制系統(tǒng)安裝在金屬材料制成的封閉機(jī)箱內(nèi)，利用金屬材料的屏蔽特性來(lái)屏蔽外部靜電和電磁輻射的干擾，同時(shí)降低本系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)其它電子設(shè)備的干擾。同時(shí)，傳感器與控制器的連線采用屏蔽電纜，防止電磁輻射、噪聲等干擾信號(hào)通過(guò)連線進(jìn)入電路。

（2） 輸入、輸出信號(hào)處理技術(shù)

電路中模擬量的采樣經(jīng)常受到工頻干擾，因此為了抑制高次諧波干擾，通常在采樣開(kāi)關(guān)前加入一個(gè)時(shí)間常數(shù)T=RC的低通濾波器。

對(duì)于本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)及脈沖輸出信號(hào)，可以通過(guò)隔離措施來(lái)切斷干擾通道，避免強(qiáng)電流對(duì)回路的沖擊。常用的隔離方法有光電隔離、繼電器隔離和變壓器隔離。變壓器隔離是傳遞脈沖輸入、輸出信號(hào)時(shí)，不能傳遞直流分量，因此常用于不要求傳遞直流分量的輸入輸出控制設(shè)備中。由于光電耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此可用于輸入、輸出隔離通道之中。

（3） PCB板設(shè)計(jì)技術(shù)

在繪制電路板時(shí)，布線是必須考慮的因素，布線應(yīng)做到一下幾點(diǎn)：

Ⅰ 電源線和地線盡可能粗一點(diǎn)，且電流流向與信號(hào)流向一致;

Ⅱ 電路板銅模線盡量使用45°折線;

Ⅲ 避免相鄰信號(hào)線的線間干擾和減少信號(hào)在傳輸導(dǎo)線上的延遲;

Ⅳ 模擬信號(hào)避開(kāi)高頻、大電流器件，重要的模擬信號(hào)線采用地線包圍的辦法以減少電磁耦合;

Ⅴ 地線的布局與抗干擾能力有很大關(guān)系，電路板的四周和不走線的地方，覆蓋地線，以減小地線電阻，提高抗干擾能力。同時(shí)，使數(shù)字地、模擬地和機(jī)體分開(kāi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特點(diǎn)及運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)以西門(mén)子的CPU224CN型可編程控制器作為控制系統(tǒng)的控制器，從全新的角度設(shè)計(jì)了一種實(shí)用可靠的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)，該控制器具備硬件抗干擾措施。

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，增加了能源供給，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，為進(jìn)一步發(fā)展可再生能源積累一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：

張?jiān)P（出生年月：1981年10月20日）。性別：男。民族：漢。籍貫：廣東省汕頭市。職稱：中級(jí)機(jī)電工程師。學(xué)歷：本科。主要研究方向：機(jī)電工程

（廣東西電動(dòng)力科技股份有限公司，廣東 汕頭 515071）